熱管的換熱基本知識及其換熱計算

1、熱管的換熱原理及其換熱計算一熱管簡介熱管是近幾十年發(fā)展起來的一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，熱 管最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域，時至今日，已經(jīng)從航天、航天器中的均溫和 控溫擴(kuò)展到了工業(yè)技術(shù)的各個領(lǐng)域，石油、化工、能源、動力、冶金、 電子、機(jī)械及醫(yī)療等各個部門都逐漸應(yīng)用了熱管技術(shù)。熱管一般由管殼、起毛細(xì)管作用的通道、以及傳遞熱能的工質(zhì)構(gòu) 成，熱管自身形成一個高真空封閉系統(tǒng)，沿軸向可將熱管分為三段， 即蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段。其結(jié)構(gòu)如圖所示：condensation adiabatic section evaporalion-Ii*vapor flowcontainerliquid flow熱管的工作原理是：

2、夕卜部熱源的熱量，通過蒸發(fā)段的管壁和浸滿 工質(zhì)的吸液芯的導(dǎo)熱使液體工質(zhì)的溫度上升；液體溫度上升，液面蒸 發(fā)，直至達(dá)到飽和蒸氣壓，此時熱量以潛熱的方式傳給蒸氣。蒸發(fā)段 的飽和蒸汽壓隨著液體溫度上升而升高。在壓差的作用下，蒸氣通過 蒸氣通道流向低壓且溫度也較低的冷凝段，并在冷凝段的氣液界面上 冷凝，放出潛熱。放出的熱量從氣液界面通過充滿工質(zhì)的吸液芯和管 壁的導(dǎo)熱，傳給熱管外冷源。冷凝的液體通過吸液芯回流到蒸發(fā)段， 完成一個循環(huán)。如此往復(fù)，不斷地將熱量從蒸發(fā)段傳至冷凝段。絕熱 段的作用除了為流體提供通道外，還起著把蒸氣段和冷凝段隔開的作 用，并使管內(nèi)工質(zhì)不與外界進(jìn)行熱量傳遞。在熱管真空度達(dá)到要求的情

3、況下，熱管的傳熱能力主要取決于熱 管吸液芯的設(shè)計。根據(jù)熱管的不同應(yīng)用場合，我公司設(shè)計有多種不同 的熱管吸液芯，包括：軸向槽道吸液芯,絲網(wǎng)吸液芯和燒結(jié)花等。基 于熱管技術(shù)的相變傳熱原理、熱管結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計以及專業(yè)可靠的品 質(zhì)保證，多年實踐證明，我公司生產(chǎn)的熱管及熱管組件正逐漸邁向越 來越廣闊的市場。(1)產(chǎn)品展示（2）產(chǎn)品參數(shù)說明項目技術(shù)參數(shù)熱管長度 100mm主體材料銅管毛細(xì)結(jié)構(gòu)槽溝/燒結(jié)芯/絲網(wǎng)管工作介質(zhì)冷媒設(shè)計工作溫度30200C設(shè)計使用傾角 5傳熱功率501000w （根據(jù)實際產(chǎn)品規(guī)格型號）熱阻系數(shù) 0.08C/W （參考值）傳熱功率測試原理冷擊嘟 API + P v + Pg其中 Pc

4、 :毛細(xì)壓頭一是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力，用 來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降A(chǔ)Pv，令凝液體從冷凝段流 回蒸發(fā)段的壓力降A(chǔ)PI,和重力場對液體流動的壓力降A(chǔ)PgCPg可以 是正值，是負(fù)值或為零,視熱管在重力場中的位置而定）。熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有 以下基本特性。2.1很高的導(dǎo)熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具 有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多 傳遞幾個數(shù)量級的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是 存在的，可能違反熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因 素的限制，存在著一

5、些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無 太大的改善（徑向熱管除外）。2.2優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中 的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。2.3熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱 面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的 傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。2.4熱流方向可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細(xì)力，因此 任意一端受熱就可作

6、為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此 特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱 后吸熱的化學(xué)反應(yīng)容器及其他裝置。2.5熱二極管與熱開關(guān)性能熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向 一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度 高于某一溫度時，熱管開始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時，熱管 就不傳熱。2.6恒溫特性（可控?zé)峁埽┢胀峁艿母鞑糠譄嶙杌旧喜浑S加熱量的變化而變，因此當(dāng)加 熱量變化時，熱管各部分的溫度亦隨之變化。近年來出現(xiàn)了另一種新 型熱管可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、 隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱

7、量大幅度變化的情況 下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。2.7環(huán)境的適應(yīng)性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機(jī)的轉(zhuǎn) 軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的， 以適應(yīng)長距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱;熱管既可以用于 地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)。熱管的分類由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和 工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類也很多，常用的分 類方法有以下幾種。按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分熱管可分為：低溫?zé)峁?一273 - 0。、常溫?zé)峁?0250。、中溫?zé)峁?50 450。0、高溫?zé)?管(4

8、50 1000。)等。按照工作液體回流動力區(qū)分熱管可分為：有芯熱管、兩相閉式熱 虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動力熱管、 磁流體動力熱管、滲透熱管等等。按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習(xí)慣的劃分方法)可 分為：銅一水熱管、碳鋼一水熱管、銅鋼復(fù)合一水熱管、鋁一丙酮 熱管、碳鋼一萘熱管、不銹鋼一鈉熱管等等。按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分可分為：普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱 管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。按熱管的功用劃分可分為：傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、 熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。熱管的相容性及壽命熱管的相容性是指熱管在預(yù)期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同

9、殼 體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的 工作性能。相容性在熱管的應(yīng)用中具有重要的意義。只有長期相容性 良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用 的可能性。碳鋼-水熱管正是通過化學(xué)處理的方法，有效地解決了碳 鋼與水的化學(xué)反應(yīng)問題，才使得碳鋼一水熱管這種高性能、長壽命、 低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)起來，造成熱管不相容的主要形式有 以下三方面，即：產(chǎn)生不凝性氣體，工作液體熱物性惡化，管殼材料 的腐蝕、溶解。產(chǎn)生不凝性氣體：由于工作液體與熱管材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝 性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽

10、流吹掃到冷凝段聚集起來形成 氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化，傳熱能 力降低甚至失效。工作液體物性惡化：有機(jī)工作介質(zhì)在一定溫度下，會逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有 機(jī)工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與熱管殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作 介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機(jī)工作液體易發(fā)生該類 不相容現(xiàn)象。管殼材料的腐蝕、溶解：工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動，同時存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使 管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當(dāng) 管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫?zé)峁苤小?.熱制造熱管的主要零部件為管殼、端蓋

11、佳寸頭)、吸液芯、腰板(連接密封 件)四部分。不同類型的熱管對這些零部件有不同的要求。(1)管殼熱管的管殼大多為金屬無縫鋼管，根據(jù)不同需要可以采用不同材料， 如銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。管子可以是標(biāo)準(zhǔn)圓形，也可以 是異型的，如橢圓形、正方形、矩形、扁平形、波紋管等。管徑可以 從2mm到200mm，甚至更大。長度可以從幾毫米到l00米以上。低溫?zé)峁軗Q熱器的管材在國外大多采用銅、鋁作為原料。采用有色金 屬作管材主要是為了滿足與工作液體相容性的要求。(2)端蓋熱管的端蓋具有多種結(jié)構(gòu)形式，它與熱管連接方式也因結(jié)構(gòu)形式而 異。端蓋外圓尺寸可稍小于管殼。配合后，管殼的突出部分可作為氬弧焊的熔焊部分，

12、不必再填焊條，焊口光滑平整、質(zhì)量容易保證。旋壓封頭是國內(nèi)外常采用的一種形式，旋壓封頭是在旋壓機(jī)上直接旋 壓而成，這種端蓋形式外型美觀，強(qiáng)度好、省材省工，是一種良好的 端蓋形式。吸液芯結(jié)構(gòu)吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結(jié)構(gòu)形式將直接影響到 熱管和熱管換熱器的性能。近年來隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，各國研究者 在吸液芯結(jié)構(gòu)和理論研究方面做了大量工作，下面對一些典型的結(jié)構(gòu) 作出簡賂的介紹。一個性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有：足夠大的毛細(xì)抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻.(4)良好的工藝重復(fù)性及可靠性，制造簡單，價格便宜。管芯的構(gòu)造型式大致可分

13、為以下幾類：(1)緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯此類管芯多層網(wǎng)的網(wǎng)層之間應(yīng)盡量緊貼，網(wǎng)與管壁之間亦應(yīng)貼合 良好，網(wǎng)層數(shù)有l(wèi)至4層或更多，各層網(wǎng)的目數(shù)可相同或不同.若網(wǎng) 層多，則液體流通截面大，阻力小，但徑向熱阻大；用細(xì)網(wǎng)時毛細(xì)抽 吸力大但流動阻力亦增加。如在近壁因數(shù)層用粗孔網(wǎng)，表面一層用細(xì) 孔網(wǎng)，這樣可由表面細(xì)孔網(wǎng)提供較大的毛細(xì)抽吸壓力，通道內(nèi)的粗孔 網(wǎng)使流動阻力較小，但并不能改善徑向熱阻大的缺點。網(wǎng)芯式結(jié)構(gòu)的 管芯可得到較高的毛細(xì)力和較高的毛細(xì)提升高度，但因滲透率較低， 液體回流阻力較大，熱管的軸向傳熱能力受到限制。此外其徑向熱阻 較大，工藝重復(fù)性差又不能適應(yīng)管道彎曲的情況，故在細(xì)長熱管中逐 漸由

14、其它管芯取代。燒結(jié)粉末管芯由一定目數(shù)的金屬粉末燒結(jié)在管內(nèi)壁面而形成與管壁一體的燒結(jié) 粉末管芯，也有用金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面上的管芯。此種管芯有較 高的毛細(xì)抽吸力，并較大地改善了徑向熱阻，克服了網(wǎng)芯工藝重復(fù)性 差的缺點，但因其滲透率較差，故軸向傳熱能力仍較軸向槽道管芯及 干道式管芯的小。軸向槽道式管芯在管殼內(nèi)壁開軸向細(xì)槽以提供毛細(xì)壓頭及液體回流通道，槽的截 面形狀可為矩形，梯形，圓形及變截面槽道，槽道式管芯雖然毛細(xì)壓 頭較小，但液體流動阻力甚小，因此可達(dá)到較高的軸向傳熱能力，徑 向熱阻較小，工藝重復(fù)性良好，可獲得精確的幾何參數(shù)，因而可較正 確地計算毛細(xì)限，此種管子彎曲后性能基本不變，但由于其抗重

15、力工 作能力極差，不適于傾斜(熱端在上)工作，對于空間的零重力條件則 是非常適用的，因此廣泛用于空間飛行器。組合管芯一般管芯往往不能同時兼顧毛細(xì)抽吸力及滲透率。為了有高的毛 細(xì)抽吸力，就要選用更細(xì)的網(wǎng)或金屬粉末，但它的滲透率較差，組合 多層網(wǎng)雖然在這方面有所提高，可是其徑向熱陰大.組合管芯能兼顧 毛細(xì)力和滲透率，從而能獲得高的軸向傳熱能力，而且大多數(shù)管芯的 徑向熱阻甚小.它基本上把管芯分成兩部分.一部分起毛細(xì)抽吸作用， 另一部分起液體回流通道作用。制造工藝如前所述，構(gòu)成熱管的三個主要組成部分是管殼、管芯和工質(zhì)。 在設(shè)計過程中，對管殼和管芯的材料進(jìn)行合理的選擇后就可以開始制 作。通常熱管的制造過

16、程包括下面的工藝操作,并按一定的程序進(jìn)行:1）熱管的機(jī)械加工及清洗；2 ）管芯制作及清洗；3 ）冷端封口； 4 ） 熱端旋封；5）檢漏；6）注入工質(zhì)；7）封頭；8）檢漏；9）縮徑； 10性能測試。實際制造的時候工序要復(fù)雜的多。這里只是列出最簡單的一些必 須工序。應(yīng)用與發(fā)展熱管技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工、石油、化工、冶金、機(jī) 械、電力、電子、煤碳、鐵路、通訊、紡織等領(lǐng)域。熱管技術(shù)最早應(yīng)用在航天器上，因為航天器面向太陽和背向太陽 的部件溫差較大，容易損壞，利用熱管使其達(dá)到熱平衡可解決這個問 題。在高原地帶鋪設(shè)石油管道或鐵路，使用熱管可以防止凍土層被破 壞。利用熱管組成換熱器來回收工業(yè)生產(chǎn)中的廢

17、熱可節(jié)約大量的能 源，在電力電子行業(yè)，因為熱管自冷散熱系統(tǒng)無需風(fēng)扇、沒有噪音、 免維修、安全可靠、使用壽命長，熱管風(fēng)冷甚至自冷可以取代水冷系 統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關(guān)的輔助設(shè)備投資。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱 件集中，甚至密封，而將散熱部分移到外部或遠(yuǎn)處，能防塵、防潮、 防爆，提高電器設(shè)備的安全可靠性和應(yīng)用范圍。因而廣泛應(yīng)用在工業(yè) 變流技術(shù)、軟啟動技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、無功補(bǔ)償技術(shù)等電力半導(dǎo)體 分立器件、模塊和組件等電力電子設(shè)備上。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷 拓寬，特別是微型熱管技術(shù)的出現(xiàn)，使得熱管在醫(yī)療手術(shù)、電子裝置 芯片、筆記本電腦CPU的冷卻、電路控制板的冷卻、太陽

18、能熱水器、 太陽能電站、核電工程中的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展。三熱管換熱計算熱管換熱器計算可用熱平衡方程式進(jìn)行計算，對于常溫下使用的通風(fēng) 系統(tǒng)中的熱管換熱器的換熱后溫度，回收的冷熱量也可用下列公式計 算，由于公式采用的是顯熱計算，但實際熱回收過程也發(fā)生潛熱回收， 因此計算值較實測值偏小，其發(fā)生的潛熱回收可作為余量或保險系數(shù) 考慮。熱換熱器的計算:熱管換熱器的效率定義n=t1-t2 /t1- t3(1-1)式t1s t2新風(fēng)的進(jìn)、出口溫度（C）t3排風(fēng)的入口溫度（C）熱管換熱器的設(shè)計計算般已知熱管換熱器的新風(fēng)和排風(fēng)的入口溫度t1和t3,取新風(fēng)量Lx與排風(fēng)量LP相等。即 計算：t =t -n(t -1

19、)2 1 八 137(1-2)Lx = Lp ,新風(fēng)和排風(fēng)的出口溫度按下列公式(1-3)t =t +n(t - t )4 3 八 13yt4排風(fēng)出口溫度（C）回收的熱量Q （kW）,負(fù)值時為冷量:Q(kW)= LxpXCx (t2-t1) /3600(1-4)式中Lx新風(fēng)量(m3/h )px親斤風(fēng)的密度(kg/m3)(般取1.2 kg/m3)Cx新風(fēng)的比熱容，一般可取1.01kJ/ (kg -C )。選用熱管換熱器時，應(yīng)注意:1）換熱器既可以垂直也可以水平安裝，可以幾個并聯(lián)，也可以幾個串聯(lián)；當(dāng)水平安裝時，低溫側(cè)上傾57二2）表面風(fēng)速宜采用1.5 m/s3.5m/s。3）當(dāng)出風(fēng)溫度低于露點溫度或熱氣流的含濕量較大時，應(yīng)設(shè)計冷凝水排除裝置。4 ）冷卻端為濕工況時，加熱端的效率門值應(yīng)增加，即回收的熱量增 加。但仍可按上述公式計算（增加的熱量作為安全因素）。需要確定 冷卻端（熱氣流）的終參數(shù)時，可按下式確定處理后的焓值，并按處 理后的相對濕度為90%左右考慮。h2=h1- 36Q/ Lxp （1-5）式中h1z h2熱氣流處理前、后的焓值（kJ/kg ）;Q 按冷氣流計算出的回收熱量（W）;L熱氣流的風(fēng)量（m3/h ）;p熱氣流的密度（kg/m3）?！纠恳阎?dāng)?shù)卮髿鈮航咏?93hpa ;新風(fēng)與排風(fēng)量相